Российский форум изыскателей

Исследования вечной мерзлоты на современном этапе

 -  72


Площадь распространения вечномерзлых пород в настоящее время составляет около 25 % всей суши Земли и около 65 % площади России (рис. 1). Мерзлота расположена в таких странах, как Дания (на острове Гренландия), Исландия, Канада, Китай, Нор­вегия, Монголия, Россия, США, Финляндия, Швеция и других, где незначительная часть мерзлоты находится в горных районах. Россия обладает наиболее развитой по сравнению с другими арктическими странами инфраструктурой в районах распространения вечной мерзлоты. Развитость инфраструктуры обусловлена, в первую очередь, тем, что арктической зоне содержится около 95% российского природного газа, около 60 % нефти, 40 % золота, 90 % серебра, хрома и марганца, 100 % коренных алмазов, 47 % платиновых металлов и 95 % редкоземельных металлов. В Арктике производится 12 % российского ВВП и 22 % российского экспорта. И это при том, что там проживает всего 1 % населения нашей страны.

Рис. 1. Распространение многолетнемерзлых грунтов (Browm, 1997)

Анализ аварийности зданий и сооружений в криолитозоне за период с 1990 года по 2014 год, выполненный Я. А. Кроником (2016), показал, что за последнее десятилетие сохранилась тенденция ежегодного увеличения числа аварийных и запредельно деформированных сооружений и продолжает фиксироваться тренд нарастания их аварийности. Существенно (более чем в 2-3 раза) выросло число северных городов и поселений, где количество аварийных и опасно деформированных сооружений превысило 50 %. Как отмечает С. Н. Стрижков (2015), практически на всех объектах Уренгойского, Ямбургского и Медвежьего месторождений после первых 10 лет эксплуатации начинают фиксироваться опасные деформации свайных фундаментов, что еще раз свидетельствует о нарастании аварийности даже среди объектов нефтегазодобывающего строительства.

В Западной Сибири ежегодно происходит около 35 тысяч аварий на нефте- и газопроводах, около 21 % из них вызваны механическими воздействиями и деформациями. На нефтяных месторождениях одного лишь Ханты-Мансийского АО происходит в среднем 1900 аварий в год (оценочный отчет, 2010). Продолжаются ежегодные аварийно-восстановительные ремонты на автомобильных и железных дорогах в криолитозоне (Кондратьев, 2012). Основными факторами развития аварийности является изменение теплового поля на объектах инфраструктуры, которые могут быть вызваны природными или антропогенными факторами.

Все это свидетельствует об особой необходимости изучения состояния вечной мерзлоты в полярных регионах. В каждой стране имеются различные научные программы, которые посвящены исследованию арктических регионов. В данной статье рассмотрены наиболее значительные проекты, а также вопросы, для решения которых они создавались.

Международные программы

Существует несколько самых первых международных программ по мерзлотоведению, которые начались в 1990-х годах, посвященных мониторингу термального состояния вечной мерзлоты: TSP (Thermal State Permafrost) и CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring Program).

Программа CALM была официально создана в рамках Международной ассоциации по мерзлотоведению (IPA) в середине 1990-х годов как долгосрочная программа наблюдений, предназначенная для оценки изменений сезонно-талого слоя (CТС) и предоставления первичных данных, используемых для региональных и глобальных моделей вечной мерзлоты и климата. Программа CALM была первой попыткой собрать и проанализировать набор международных геокриологических данных, полученных в соответствии со стандартизированными методами, примененными на территории нескольких стран. Первоначально методология CALM для измерения СТС была разработана в 1995 году на 6-м семинаре по Международному эксперименту «Тундра» (ITEX), проходившем в Оттаве, Канада. В начале 1998 года пятилетний проект CALM был профинансирован Национальным научным фондом США для координации разработки сайтов, а также сбора и обобщения данных в Университете Цинциннати. После этого кураторами этой программы были Университет штата Делавэр и Университет Джорджа Вашингтона. В настоящее время в сеть входят около 250 активных объектов с участием 12 стран Северного полушария (в том числе в России) и 3 стран, вовлеченных в исследования в Антарктиде. Данные передаются в электронном виде в хранилище данных CALM и размещаются на открытом веб-сайте.

В начале 1999 года организационный комитет IPA сосредоточил свои усилия на разработке программы мониторинга температуры вечной мерзлоты (TSP). Эта программа состоит из сети скважин для измерения температуры грунта. Для измерения температуры в скважинах, используется один из нескольких типов термисторных датчиков и измерительных систем. Многие скважины, пробуренные для исследовательских, геотехнических или ресурсных целей в районах вечной мерзлоты за последние два десятилетия, были сохранены в качестве участков для термического мониторинга. Набор данных программы TSP служит базой для оценки скорости изменения температуры вечной мерзлоты и улучшения нашего понимания динамики вечной мерзлоты. Измерения в рамках этой программы — это полевой компонент Глобальной наземной сети в областях вечной мерзлоты Всемирной метеорологической организации (GTN-P), которые решают вопросы, связанные с потеплением климата и сопутствующими экологическими и социальными проблемами в холодных регионах планеты Земля (рис. 2). По сравнению с другими странами в России расположена очень малая часть термометрических скважин.

Рис. 2. Карта расположения скважин программы GTN-Р

В рамках работы Арктичес­кого совета (ведущий межправительственный форум, содействующий сотрудничеству, координации и взаимодействию между арктическими государствами, коренными общинами и остальными жителями Арктики в связи с общими арктическими вопросами, в частности, в связи с проблемами устойчивого развития и защиты окружающей среды в Арктике) постоянно работает группа по реализации программы арктического мониторинга и оценки, где группы экспертов выполняют научно-оценочную работу. Основными задачами этой группы является описание тенденций ключевых климатических показателей и их воздействия на окружающую среду, изучение воздействия загрязнения и изменения климата на экосистемы и людей Арктики, включая здоровье коренных народов, а также консультации министрам по приоритетным действиям, необходимых для улучшения условий в Арктике. В отчетах этой группы неоднократно упоминались влияние повышения температуры воздуха и его негативные последствия.

Северная Америка

Проект Next-Generation Eco­system Experiments (2012-2022) направлен на улучшение прогнозирования изменения климата в северных экосистемах. Для решения этой задачи в рамках проекта проводятся полевые и лабораторные эксперименты, наблюдения и создаются модели процессов для количественной оценки реакции физических, экологических и биогеохимических процессов на атмосферные и климатические изменения в масштабах от молекулярного до ландшафтного. Фаза 1 проекта была сосредоточена на деятельности по анализу и синтезу текущих данных; моделированию процесса изменений экосистем в глобальном масштабе для определения чувствительности и количественной оценки неопределенностей. Фаза 2 посвящена обработки полученных данных и созданию теории, которая будет использоваться для уменьшения неопределенности и улучшения представлений о процессах в Арктике.

Проект The Arctic-Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) (2015-2025) — это полевые исследования Программы NASA по экологии суши, которые проводятся на Аляске и в Западной Канаде. ABoVE — это крупномасштабное исследование изменения окружающей среды и его последствий для социально-экологических систем. Научные цели ABoVE в целом сосредоточены на (1) достижении лучшего понимания уязвимости и устойчивости арктических экосистем к изменениям окружающей среды в западной части Северной Америки и (2) обеспечении научной основы для принятия информированных решений, которые будут определять реакцию общества от местного до международного уровня.

ArcticNet (2003-2024) — это сеть центров передового опыта Канады, которые объединяет ученых, инженеров и менеджеров в области естественных наук, медицины и социальных наук с их партнерами из инуитских организаций, северных общин, федеральных агентств и частного сектора для изучения последствий изменения климата на канадском Севере. Более 175 исследователей из 33 канадских университетов, 8 федеральных и 11 местных агентств и департаментов сотрудничают с научными группами в Дании, Финляндии, Франции, Гренландии, Японии, Норвегии, Польше, России, Испании, Швеции, Великобритании и США. Основная цель проекта способствовать развитию и распространению знаний, необходимых для формулирования стратегий адаптации и национальной политики, чтобы помочь канадцам противостоять воздействиям и возможностям изменения климата и модернизации в Арктике. В рамках проекта проводятся комплексные региональные исследования воздействия на общества, а также на морские и наземные прибрежные экосистемы в канадской высокой Арктике и в Гудзоновом заливе. В дополнение к работе, проводимой в северных общинах, исследователи ArcticNet из различных областей используют канадский исследовательский ледокол Amundsen и полевые станции, расположенные на севере. Это комплексное исследование предлагает уникальную междисциплинарную и межотраслевую среду для подготовки следующего поколения специалистов, необходимых для управления канадской Арктикой будущего.

Программа Sentinel North (2015-2022) должна способствовать научным исследованиям для мониторинга окружающей среды на различных уровнях — от микробов до экосистем — с использованием современных технологий и прогнозирования. В результате планируется создание модели и стратегии вмешательства, ориентированные на устойчивое здоровье и развитие северных регионов Канады.

Европейские программы

В Европейском союзе для исследования арктических и антарктических территорий был создан несколько лет назад Полярный кластер, финансируемый Европейской комиссией. В настоящее время в него входит 15 мегапроектов с большим финансированием. Таким образом, кластер объединяет в себе широкий спектр исследовательской и координационной деятельности — от самых последних данных о вечной мерзлоте до улучшения наблюдений и прогнозов, а также созданию исследовательских станций. Касательно исследований в Арктике можно выделить 4 программы.

INTERACT (2016-2020) — это инфраструктурный проект под эгидой циркумарктической международной сети, состоящей в настоящее время из 79 наземных полевых баз в Северной Европе, России, США, Канаде, Гренландии, Исландии, Фарерских островах и Шотландии, а также станций в северных альпийских районах. INTERACT, в частности, стремится к созданию мест для исследований и мониторинга в Европейской Арктике и за ее пределами, поэтому предлагает бесплатный доступ к многочисленным исследовательским станциям. Основная цель проекта состоит в создании инфраструктуры для выявления, понимания, прогнозирования и реагирования на разнообразные экологические изменения в Арктике.

Blue-Action (2016-2021) проект посвящен развитию инновационных статистических и динамических подходов к прогнозированию экстремальных погодных и климатических явлений. В результате должна быть получена фундаментальная и эмпирически обоснованная модель погоды и климата Северного полушария. Для достижения этой цели Blue-Action будет использовать междисциплинарный подход, объединяющий научное понимание в арктических исследованиях климата, погоды и управления рисками.

Целью программы INTAROS (2016-2021) является разработка интегрированной системы наблюдений за Арктикой путем расширения, улучшения и объединения существующих систем в различных регионах Арктики. INTAROS имеет сильную междисциплинарную направленность, с инструментами для интеграции данных из разных областей наук (геокриология, гидрометеорология, океанология и т.д.), предоставляемыми учреждениями в Европе, Северной Америке и Азии. Проект вносит свой вклад в инновационные решения для заполнения некоторых критических пробелов в сети наблюдений в различных областях Арктики.

Проект NUNATARYUK (2017-2022) объединяет ведущих мировых специалистов в области естественных и социально-экономических наук, чтобы оценить, какие риски представляют таяние прибрежной вечной мерзлоты для инфраструктуры, коренных и местных общин и здоровья людей. Результаты планируется использовать для оценки долгосрочного воздействия таяния вечной мерзлоты на глобальный климат и экономику.

Россия

Ученые из России очень часто выступают партнерами международных проектов, но нет глобальных международных программ, которые финансируются в России. Однако с прошлого года ситуация стала меняться к лучшему. В 2019 году Российским фондом фундаментальных исследований было проведено несколько конкурсов научных проектов, посвященных исследованиям в Арктике. 25 декабря 2019 года Распоряжением Правительства Российской Федерации утвержден национальный план адаптации к изменениям климата до 2022 года. Этим документом Министерство по развитию Дальнего Востока и Арктики Российской Федерации было определено головным ведомством по формированию оперативных и долгосрочных мер адаптации арктической зоны России к изменениям климата. Минвостокразвития России должно подготовить план соответствующих мер в 2021 году. Одной из наиболее актуальных проблем является создание системы мониторинга вечной мерзлоты. В 90-е годы прошлого века была разрушена существовавшая с советского времени система мониторинга и новой системы не разработано. В конце 2019 года Минвостокразвития России обратилось к ученым, которые занимаются изучением многолетней мерзлоты, с заданием разработать систему мониторинга, которая позволит прогнозировать процессы деградации мерзлоты и алгоритм действий по предотвращению катастрофических последст­вий для объектов экономической, социальной и инженерной инфраструктуры.

Планируемая система мониторинга будет включать в себя несколько уровней. На федеральном уровне — это единый центр сборки, с помощью которого будет вестись не только сбор информации, но и ее обработка, анализ и прогноз. На региональном и муниципальном уровнях — это должна быть сеть станций, которые, собственно, и будут следить, как происходят изменения, связанные с таянием. И еще один уровень — это недропользователи. То есть те компании, которые разрабатывают месторождения, также должны наблюдать и подавать данные в единый центр.

Следующим этапом является создание стационаров для изучения геокриологических процессов, которые в настоящее время проводятся лишь научными учреждениями (МГУ им. М. В. Ломоносова, институт Геоэкологии РАН, Институт мерзлотоведения СО РАН, институт Криосферы Земли СО РАН и т.д.). Высокая эффективность стационарных многолетних исследований была показана в процессе деятельности ряда таких полигонов, получивших широкое развитие в северных районах России в 1960-1980 годах прошлого века, а затем в основном свернутых. Исследование криогенных процессов носит преимущественно описательный характер, а их количественный прогноз основывается на разработках тридцатилетней давности. Практически не совершенствуются методы предупреждения опасных процессов (Мельников, 2016).

Все данные мониторинга представляют собой лишь эмпирические данные, отражающие развитие того или иного процесса. Эти данные могут использоваться для отслеживания текущей ситуации, но также и для развития новых методов и методик прогнозирования влияния изменения климатических условий на инфраструктуру и природные процессы. Для этого необходима разработка новых количественных методов прогноза, а также компьютерных программ.

Обеспечение надежной устойчивости сооружений в криолитозоне обусловлено достоверностью характеристик прочности и деформации грунтов. Накопленными до настоящего времени данными установлено четкое проявление реологических свойств мерзлых грунтов: снижение прочности и развитие деформации во времени, разработаны параметрические уравнения, позволяющие прогнозировать несущую способность оснований сооружений на период их эксплуатации. Однако уровень состояния исследований и их внедрения в практику строительства по многим проблемам не отвечает современным требованиям высоких технологий и темпов освоения природных ресурсов в регионах криолитозоны. Усовершенствование методов оценки формирования напряженно-деформированного состояния оттаивающих грунтов предполагается выполнить комплексно, сочетая полевые и лабораторные испытания, теоретические разработки (Мельников, 2016). Для повышения качества, точности и скорости инженерно-геологических изысканий в криолитозоне необходимо большее внедрение геофизических методов.

Заключение

Все это свидетельствует об особой необходимости изучения состояния вечной мерзлоты в полярных регионах и на шельфах арктических морей, важности выработки современных инженерных и технологических решений для проектирования и строительства объектов инфраструктуры на многолетнемерзлых грунтах, проведения научных исследований, своевременной подготовки молодых специалистов, которые будут работать в этих непростых условиях. Но любое развитие невозможно без финансовых затрат, особенно в Арктических труднодоступных регионах. Однако, нужно учитывать, что полученные результаты в будущем могут принести гораздо большую пользу. Это сейчас и происходит в западных странах, где общие расходы на исследования и разработки в Арктике увеличились более чем вдвое в ЕС и США с 1998 по 2016 год, а в Китае — практически в 14 раз (Sjöberg, 2020).

Павел Котов
Старший научный сотрудник Кафедры геокриологии
Геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, кандидат геол.-мин. наук

Список литературы

  1. Кондратьев В. Г. Инженерно-геокриологический мониторинг Байкало-Амурской магистрали: опыт, проблемы, задачи // Путь и путевое хозяйство. 2012. № 10. С. 26-31.
  2. Кроник Я. А. Анализ аварийности и безопасности геотехнических систем в криолитозоне // Материалы V конф. геокриологов России. МГУ им. М. И. Ломоносова. М.: Университетская книга, 2016. т. 1. С. 104-111.
  3. Мельников В. П., Брушков А. В., Дроздов Д. С. Современные проблемы геокриологии // Материалы пятой конференции геокриологов России. МГУ им. М. И. Ломоносова. М.: Университетская книга, т. 1, 2016. — С. 6-26.
  4. Оценочный отчет. Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых по­род: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования / О. А. Анисимов, М. А. Белолуцкая, М. Н. Григорьев, А. Инстанес, В. А. Кокорев, Н. Г. Оберман, С. А. Ренева, Ю. Г. Стрельченко, Д. А. Стрелецкий, Н. И. Шикломанов. — М.: ОМННО Гринпис России, 2010. — 44 с.
  5. Стрижков С. Н. Снижение техногенного воздействия зданий и сооружений на грунтовые основания и их геомониторинг в криолитозоне. Промышленное и гражданское строительство, 2015. № 11, с. 8-12
  6. Brown, J., O. J. Ferrians, Jr., J. A. Heginbottom, and E. S. Melnikov, eds. 1997. Circum-Arctic map of permafrost and ground-ice conditions. Washington, DC: U.S. Geological Survey in Cooperation with the Circum-Pacific Council for Energy and Mineral Resources. Circum-Pacific Map Series CP-45, scale 1:10,000,000
  7. Sjöberg, Y, Siewert, MB, Rudy, ACA, et al. Hot trends and impact in permafrost science. Permafrost and Periglac Process. 2020; 1-11.
7 рекомендовано
comments icon 2 комментария
2 заметки
72 просмотра
bookmark icon

Написать комментарий...

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *